JPWO2007049481A1 - 回折光学素子、及び光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

要約課題 ２つの回折格子面で３つの波長の光を回折する回折光学素子を提供する。解決手段 回折光学素子を、第１の回折格子面と、前記第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面とを備え、入射される３種類の波長の光に対し、前記第１の回折格子面では、１種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となり、前記第２の回折格子面では、他の２種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となるよう構成する。これにより、簡素な構成で３つの波長の光を回折できる回折光学素子を得ることが可能となる。選択図 図３

Description

本発明は、光ディスク装置における光ヘッド装置、及び回折光学素子に係わるものである。さらに、特に複数の光ディスク規格に対応する光ヘッド装置、及び回折光学素子に関するものである。

半導体レーザを光源に用いて光学的に情報の記録や再生を行うことのできる光ディスク装置は、半導体レーザの波長が７８０ｎｍを中心とするＣＤ（コンパクトディスク）と半導体レーザの波長が６５０ｎｍを中心とするＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）が実用化されている。そして、両方の光ディスクを１台の光ディスク装置で取り扱えるように、光ディスクに対する互換性が確保されているのが一般的である。

このような互換機能を有した光ディスク装置では、光ディスクに情報の記録もしくは再生を行う光ヘッド装置が、７８０ｎｍで発振する半導体レーザと６５０ｎｍで発振する半導体レーザの２つの半導体レーザを搭載している。

また、通常の光ヘッド装置は、光ディスクの情報トラックを正しく追従するためのトラッキング補正機能を保有しているが、このトラッキング補正を行うために、光ヘッド装置は半導体レーザ光を３本のレーザ光に分光するための回折格子を備えているのが一般的である。例えば、ＣＤにおいては周知の３ビーム法と呼ばれるトラッキングエラー検出方式、またＤＶＤにおいては周知の差動プッシュプル法と呼ばれるトラッキングエラー検出手段方式、をそれぞれ実現するように回折格子の光学的仕様が設計されている。従って、各波長の半導体レーザに対してそれぞれ専用の回折格子が必要となっている。

しかしながら、近年の半導体レーザの技術進歩により、１つの半導体レーザパッケージ、若しくは１つの半導体レーザ素子から２つの波長のレーザ光を発振できる半導体レーザが実用化されてきた。これら２つの波長のレーザ光は同一の光路上を伝搬するため、従来の単一の波長において光学的性能を発揮するように設計された回折格子を用いたのでは、２つの波長のレーザ光に対して、それぞれ所望の光学的性能を得ることができないという問題点があった。

この問題点に対する改善策として、２つの回折格子面を一体的に有する回折光学素子を用い、第１の波長（例えば７８０ｎｍ）に対して第１の回折格子面のみが作用し、第２の波長（例えば６５０ｎｍ）に対して第２の回折格子面のみが作用するような回折光学素子及びこれを搭載した光ヘッド装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

またさらに、各格子面でのレーザ光の分光の割合を調整するために、回折格子の凸部と凹部の幅の比率を最適化した回折光学素子及びこれを搭載した光ヘッド装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−１９０１３３号公報（第４−５頁、図１） 特開２００２−３１１２１９号公報（第４−５頁、図２）

しかし、近年、光ディスク装置へのさらなる高記録密度化の要求が高まり、第３の波長として半導体レーザの波長が４０５ｎｍを中心とする青色のＤＶＤ装置が実用化されようとしている。また、１つの半導体レーザパッケージから３つの波長のレーザ光を発振できる半導体レーザも同様に開発が行われている。１つの半導体レーザパッケージから３つの波長のレーザ光が発振されると、これら３つの波長のレーザ光は略同一の光路上を伝搬することとなる。このため、２つの波長のレーザ光に対してのみ作用する、従来の回折光学素子では、３つの波長のレーザ光に対して、それぞれ所望の光学的性能を得ることができないという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、３つの波長のレーザ光に対してそれぞれ所望の光学的性能を得ることができる回折光学素子を提供するものである。また、このような回折光学素子を備え、光ディスクへの記録、再生を行うことができる光ヘッド装置を提供するものである。

本発明に係わる回折光学素子は、
第１の回折格子面と、
前記第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面と
を備え、
入射される３種類の波長の光に対し、
前記第１の回折格子面では、１種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となり、
前記第２の回折格子面では、他の２種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となること
としたものである。

本発明の回折光学素子によれば、３つの波長のレーザ光を２つの回折格子面で回折させることが可能となる。

本発明の実施の形態１における回折光学素子、及び光ヘッド装置の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ１を出射方向から眺めた正面図である。 本発明の実施の形態１における回折光学素子の形状と、その動作を示す平面図である。 デュティー比が０．５の回折光学素子において、０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。 デュティー比が０．３の回折光学素子において、０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。 デュティー比が０．２の回折光学素子において、０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。 デュティー比が０．１６の回折光学素子において、０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。 ０次回折効率の極小値と１次回折効率の極大値の、デュティー比に対する依存性を示すグラフ図である。 ０次回折効率の極小値と１次回折効率の極大値の、デュティー比に対する変化を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態１における他の構成の半導体レーザ１を出射方向から眺めた正面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ、 ２ 第１の波長のレーザ光、 ３ 第２の波長のレーザ光、 ４ 第３の波長のレーザ光、 ５ 回折光学素子、 ６ 第１の回折格子面、 ７ 第２の回折格子面、 ８ ビームスプリッタ、 ９ コリメータレンズ、 １０ 対物レンズ、 １１ 光ディスク、 １２ レンズ、 １３ ビームスプリッタ、 １４ 第１の光検知器、 １５ 第２の光検知器、 １６ 放熱部材、 １７ 第１の半導体レーザ素子、 １８ 第２の半導体レーザ素子、 １９ 第１の波長のレーザ光を発振する領域、 ２０ 第２の波長のレーザ光を発振する領域、 ２１ 第３の波長のレーザ光を発振する領域。

図１はこの発明の実施の形態１における回折光学素子、及び光ヘッド装置の構成を示す平面図である。図１において、１は３つの波長で発振する半導体レーザであり、２は第１の波長のレーザ光、３は第２の波長のレーザ光、４は第３の波長のレーザ光である。５は半導体レーザ１からの出射光を透過光と回折光に分光する回折光学素子であり、６は半導体レーザ１からの出射光が入射する面側に形成された第１の回折格子面、７は他方の面に形成された第２の回折格子面である。

８はビームスプリッタである。９は半導体レーザ１からの出射光を平行光にするためのコリメータレンズ、１０はコリメータレンズ９を出射したレーザ光を集光するための対物レンズ、１１は対物レンズ１０によって集光されたレーザ光が照射される光ディスク、１２はビームスプリッタ８で反射した光ディスク１１からの反射レーザ光を収束するためのレンズである。１３はビームスプリッタであり、その反射方向に第１の光検知器１４、透過方向に第２の光検知器が配置されている。

図２はこの発明の実施の形態１における半導体レーザ１において、出射方向から眺めた正面図である。１６は放熱部材であり、放熱部材１６の上に、第１の半導体レーザ素子１７と第２の半導体レーザ素子１８が配置されている。第１の半導体レーザ素子１７は例えば２つの波長のレーザ光を発振できる素子であり、１９は第１の波長のレーザ光を発振する領域であり、第１の波長のレーザ光２を発振する。２０は第２の波長のレーザ光を発振する領域であり、第２の波長のレーザ光３を発振する。第２の半導体レーザ素子１８は、第３の波長のレーザ光を発振する領域２１を有し、第３の波長のレーザ光４を発振する。

次に動作について説明する。まず、半導体レーザ１から光ディスクの種類に応じたレーザ光が出射される。ここで、例えば、第１の波長のレーザ光２はその波長が７８０ｎｍ近傍であり、ＣＤに使用される。第２の波長のレーザ光３は、その波長が６５０ｎｍ近傍であり、ＤＶＤに使用される。さらに第３の波長のレーザ光４は、その波長が４０５ｎｍ近傍であり、青色ＤＶＤに使用されるものとする。

出射されたレーザ光は、回折光学素子５とビームスプリッタ８を順に透過し、コリメータレンズ９によって平行光に変換され、対物レンズ１０によって光ディスク１１上に光スポットを形成し、情報の記録もしくは再生が行われる。光ディスク１１で反射されたレーザ光は、対物レンズ１０とコリメータレンズ９を順に経てビームスプリッタ８で反射して、レンズ１２を透過後、ビームスプリッタ１３に入射する。

ビームスプリッタ１３では、第１の波長のレーザ光２と第２の波長のレーザ光３が反射されて、第１の光検知器１４によって受光される。一方、第３の波長のレーザ光４はビームスプリッタ１３を透過して第２の光検知器１５によって受光される。第１および第２の光検知器１４及び１５では、それぞれ光ディスク１１の再生信号のみならず、焦点制御に必要な信号、及びトラッキング制御に必要な信号が検出される。

次に、本発明の要部である回折光学素子５に関わる動作を説明する。図３は回折光学素子の形状と、その動作を示す平面図である。図３において、回折光学素子５の第１の回折格子面６は、格子の周期がＰ１、格子の溝部の幅がＷ１である。同様に第２の回折格子面７は、格子の周期がＰ２、格子の溝部の幅がＷ２であるとする。ここで、第１及び第２の回折格子面について溝部の幅と周期の割合で定義されるデュティー比Ｄ１及びＤ２を、それぞれ次のように定義する。

ここで、回折光学素子の一般的な光学的特性を説明する。図４は、デュティー比が０．５における回折光学素子の０次回折光、すなわち透過光（図示の０ｔｈ）と、１次回折光（図示の１ｓｔ）のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。図４（ａ）から（ｃ）は、波長がそれぞれ７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍの場合である。また本グラフの計算には、回折光学素子５の屈折率として１．５５を使用している。

図５は、デュティー比が０．３における回折光学素子の０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。図６は、デュティー比が０．２における回折光学素子の０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。図７は、デュティー比が０．１６における回折光学素子の０次回折光と１次回折光のそれぞれの回折効率を示すグラフ図である。なお、図５から図７における波長と屈折率の条件は、図４のものと同じである。

０次回折光と１次回折光は回折格子の深さに依存して変動するが、ここで特徴的な特性として、一般に波長をλ、回折光学素子５の屈折率をＮとすると、０次回折効率はλ／２／（Ｎ−１）の偶数倍の回折格子深さで極大となり、λ／２／（Ｎ−１）の奇数倍の回折格子深さで極小となることである。反対に、１次回折効率はλ／２／（Ｎ−１）の偶数倍の回折格子深さで極小となり、λ／２／（Ｎ−１）の奇数倍の回折格子深さで極大となることである。また０次回折効率の極小値と１次回折効率の極大値はデュティー比に依存している。

図８は、０次回折効率の極小値と１次回折効率の極大値のデュティー比の依存性を示すグラフ図であり、例として波長が７８０ｎｍの場合を示す。なお、波長が７８０ｎｍの場合における後述する傾向は、他の波長についても同様に現れる。図８（ａ）から図８（ｃ）は、それぞれデュティー比が０．５、０．３、０．２の場合である。０次回折効率の極小値はデュティー比が０．５で最小となり、デュティー比が小さくなるに従って大きくなる。一方、１次回折効率の極大値はデュティー比が０．５で最大となり、デュティー比が小さくなるに従って小さくなる。図９は、デュティー比に対する０次回折効率の極小値と１次回折回折効率の極大値の変化を示すグラフ図であり、０次回折効率の極小値と１次回折効率の極大値が等しくなるデュティー比は、０．３以下、約０．２７である。さらに詳しくは約０．２６５である。

次に、図３を用いて、回折光学素子５の動作を説明する。第１の回折格子面６は、例えば、図６のＡ部直線で示すように、デュティー比Ｄ１＝０．２、であり、回折格子深さが約１．５ミクロンで形成されている。従って、半導体レーザ１から３つの波長のレーザ光が第１の回折格子面６に入射した場合、図６のＡ部直線箇所での特性により、第２の波長である６５０ｎｍで１次回折光が発生し、第１の波長の７８０ｎｍと第３の波長の４０５ｎｍでは、１次回折光の発生は無く、入射光がそのまま透過する。一方、第２の回折格子面７は、例えば、図６のＢ部直線で示すように、デュティー比Ｄ２＝０．２であり、回折格子深さが約１．２ミクロンで形成されている。従って、半導体レーザ１から３つの波長のレーザ光が第２の回折格子面７に入射した場合、図６のＢ部直線箇所での特性により、第１の波長である７８０ｎｍと、第３の波長である４０５ｎｍで１次回折光が発生し、第２の波長の６５０ｎｍでは、１次回折光の発生は無く、入射光がそのまま透過する。

以上のことから、第１の回折格子面６では第２の波長のレーザ光３においてのみ、トラッキング制御用の１次回折光を得ることができる。さらに、第２の回折格子面７では第１の波長のレーザ光２と第３の波長のレーザ光４の、２つの波長のレーザ光について、トラッキング制御用の１次回折光を得ることができる。従って、３つの波長に対して２つの回折格子面で所望の特性を得ることができる。

ところで上述の説明では、デュティー比を０．２として説明したが、例えば第２の回折格子面７のデュティー比をＤ２＝０．５とすると、図４のＣ部直線箇所で明らかなように、第３の波長の４０５ｎｍにおいて、０次回折効率と１次回折効率がほぼ同程度となる。通常、０次回折光は光ディスクの記録再生に使用されるので可能な限り回折効率は大きい方が好ましい。一方、１次回折光はトラッキング制御に専用的に使用されるため１次回折効率は０次回折効率よりも小さくすることがより好ましい。その理由の一つとして、半導体レーザから発振されるレーザ出力を可能な限り０次回折光に配分し、光ディスクの記録に必要なレーザ光強度を確保することが、半導体レーザの経済的な使用方法となるからである。さらに、他の理由として、光ディスクへの熱損傷を考慮する必要があるからである。すなわち、光ディスクへの記録時にはパルス的にレーザ出力を高める動作が行われるが、この動作に連動して、０次回折光だけでなく１次回折光のレーザ強度が上昇する。１次回折光のレーザ強度が大きくなりすぎると、１次回折光によっても光ディスクへの記録が行われたり、光ディスクに熱損傷を与えるとの事態が発生し得る。１次回折光はトラッキング制御のために用いられるものであり、レーザ光強度が上昇した記録時でも光ディスクに熱損傷を与えないように、１次回折光のレーザ光強度は小さくすることが好ましい。そこで、１次回折効率は０次回折効率の１／４〜１／２０、さらには１／５〜１／２０くらいの大きさに設定されるのが一般的である。

従って、０次回折効率と１次回折効率がほぼ同程度であることは、光ディスクの記録再生に必要な０次回折光の強度が充分確保できないという問題と、１次回折光により光ディスクに記録されてしまう、あるいは熱損傷を与えてしまうとの問題を引き起こし、デュティー比をＤ２＝０．５とすることは設計上好ましくない。同様にもし第２の回折格子面７のデュティー比をＤ２＝０．３とすると、図５のＤ部直線箇所で明らかなように、やはり０次回折効率と１次回折効率が接近した値となる。

以上のことから明らかなように、０次回折効率と１次回折効率をより好ましい状態にするには、０次回折効率の極小値と１次回折効率の極大値との大小関係が重要となる。この大小関係が回折格子深さに依存することは、図４から図７のグラフ図で明らかであるが、図８をみても明らかなように、０次回折効率を１次回折効率よりも大きくするために、デュティー比を０．３以下にするとよい。また、デュティー比が約０．２７以下となると、より好ましい。そして、デュティー比を０．２６５以下とすると、最も好ましい。すなわち、図９に示したように、デュティー比を０．２６５以下とすることで、回折格子深さにかかわらず、０次回折効率を１次回折効率よりも大きくできる。

以上の説明したように回折光学素子５構成することにより、２つの回折格子面で、略同一の光路上を伝搬する３つの波長のレーザ光に対して、それぞれ所望の回折効率を得ることができる。これにより、光ヘッド装置において、簡素な光学系の構成で、しかも１次回折光を使用したトラッキング制御を行うことが可能となる。

尚、実施の形態１の第１の回折格子面６では、デュティー比をＤ１＝０．２としたが、第２の波長である６５０ｎｍにおいて、０次回折効率と１次回折効率が所望の数値となるように、デュティー比Ｄ１を変えてもよい。例えば、Ｄ１＝０．１６とすると、図７のＥ部直線箇所となり、０次回折効率を大きくして、１次回折効率を小さくする方向に特性を変化させることが可能である。

更に、実施の形態１の第２の回折格子面６では、回折格子深さを約１．２ミクロンとしたが、図６のＦ部直線で示すように約２．４ミクロンとしてもよい。この場合、Ｂ部直線箇所と比較して、第１の波長である７８０ｎｍと第３の波長である４０５ｎｍでの０次回折効率と１次回折効率の大きさが異なるので、光ヘッド装置や光ディスク装置の性能に有利となる回折格子深さを選択すればよい。

更にまた、実施の形態１の回折光学素子では、一方の回折格子面で第２の波長の６５０ｎｍのレーザ光３を回折させ、他方の回折格子面で第１の波長の７８０ｎｍのレーザ光２と第３の波長の４０５ｎｍのレーザ光４を同時に回折させるようにした。これは、第１の波長が、第３の波長のほぼ２倍の長さであるために、第１の波長で０次回折効率の極大値となる回折格子の深さでは、常に第３の波長での０次回折効率も極大値を示すという好都合な関係が存在するためである。

しかしながら、上述のような２倍の関係で無くとも、０次回折効率はλ／２／（Ｎ−１）の偶数倍の回折格子深さで極大値となるため、一般的に任意の２つの異なる波長の最小公倍数を用いてλ／２／（Ｎ−１）の関係式から求められる回折格子深さでは、これら２つの波長を同時に回折しないような条件を得ることができるのは明らかである。

更にまた、実施の形態１の半導体レーザ１は、放熱部材１６上に３つのレーザ発振する領域１９、２０、２１が並置されている形態としたが、図１０に示す形態でもよい。図１０は、図２とは異なる構成の半導体レーザを、出射方向から眺めた正面図である。すなわち放熱部材１６の上に、第１の半導体レーザ素子１７と第２の半導体レーザ素子１８が積層されている形態である。また、第１の半導体レーザ素子１７にはレーザ発振する２つの領域がある形態としたが、これに限るものでもない。

更にまた、実施の形態１の回折光学素子５は、半導体レーザ１からレーザ光が入射される回折格子面で、１つの波長のレーザ光が回折され、レーザ光が出射する回折格子面で、２つの波長のレーザ光が回折されるとした。しかし、レーザ光が入射される回折格子面で、２つの波長のレーザ光が回折され、レーザ光が出射する回折格子面で、１つの波長のレーザ光が回折されるとしてもよい。

本発明に係わる回折光学素子は、
第１の回折格子面と、
前記第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面と
を備え、
入射される３種類の波長の光に対し、
前記第１の回折格子面では、１種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となり、
前記第２の回折格子面では、他の２種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となり、
前記第２の回折格子面で回折光の回折効率が所定値以下となる他の２種類の光は、一方の光の波長が他方の光の波長の略整数倍であること
としたものである。

本発明に係わる回折光学素子は、第１の回折格子面と、前記第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面とを備え、入射される３種類の波長の光に対し、前記第１の回折格子面では、１種類の光について１次回折光の１次回折効率が略零となるように、前記第１の回折格子面を構成する第１の溝部の格子深さが設定され、前記第２の回折格子面では、他の２種類の光について１次回折光の１次回折効率が略零となるように、前記第２の回折格子面を構成する第２の溝部の格子深さが設定され、前記他の２種類の光は、一方の光の波長が他方の光の波長の略２倍である回折光学素子であって、前記第１の溝部である凹部空間の屈折率が前記第２の溝部である凹部空間の屈折率と略等しく、前記第１の回折格子面を構成する第１の格子ピッチから前記第１の溝部の幅を差し引いた幅を有する第１の凸部材の屈折率が前記第２の回折面を構成する第２の格子ピッチから前記第２の溝部の幅を差し引いた幅を有する第２の凸部材の屈折率と略等しいことを特徴とするものである。

本発明に係わる回折光学素子は、第１の回折格子面と、前記第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面とを備え、入射される３種類の波長の光に対し、前記第１の回折格子面では、１種類の光について１次回折光の１次回折効率が略零となるように、前記第１の回折格子面を構成する第１の溝部の格子深さが設定され、前記第２の回折格子面では、他の２種類の光について１次回折光の１次回折効率が略零となるように、前記第２の回折格子面を構成する第２の溝部の格子深さが設定され、前記他の２種類の光は、一方の光の波長が他方の光の波長の略２倍であるとともに、前記入射される３種類の波長の光のうち、最も波長が長い光と、最も波長が短い光である回折光学素子であって、前記第１の溝部と接する凹部空間の屈折率と前記第２の溝部と接する凹部空間の屈折率とがいずれも略１に等しく、前記第１の回折格子面を構成する第１の格子ピッチから前記第１の溝部の幅を差し引いた幅を有する第１の凸部材の屈折率が前記第２の回折面を構成する第２の格子ピッチから前記第２の溝部の幅を差し引いた幅を有する第２の凸部材の屈折率と略等しく、
前記第１の格子ピッチに対する前記第１の溝部の幅の比、及び、前記第２の格子ピッチに対する前記第２の溝部の幅の比が、各々の所定の値に設定されるとともに、前記各々の所定の値は、いずれも０．３以下であることを特徴とするものである。

Claims (7)

1. 第１の回折格子面と、
   前記第１の回折格子面に向かい合う第２の回折格子面と
   を備え、
   入射される３種類の波長の光に対し、
   前記第１の回折格子面では、１種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となり、
   前記第２の回折格子面では、他の２種類の光について回折光の回折効率が所定値以下となること
   を特徴とする回折光学素子。
2. 第２の回折格子面で回折光の回折効率が所定値以下となるのは、入射される３種類の波長の光のうち、最も波長が長い光と、最も波長が短い光であること
   を特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 第１の回折格子面、及び／又は第２の回折格子面の格子ピッチに対する溝部の比が０．３以下であること
   を特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
4. 第１の回折格子面、及び／又は第２の回折格子面の格子ピッチに対する溝部の比が０．２７以下であること
   を特徴とする請求項３に記載の回折光学素子。
5. ０次回折光の０次回折効率に対する、１次回折光の１次回折効率が、約１／４から約１／２０であること
   を特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
6. ０次回折光の０次回折効率に対する、１次回折光の１次回折効率が、約１／５から約１／２０であること
   を特徴とする請求項５に記載の回折光学素子。
7. ３種類の波長の光を発振する光源と、
   請求項１に記載の回折光学素子と
   を備え、
   前記光源から発振された光が前記回折光学素子に入射するように構成されたこと
   を特徴とする光ヘッド装置。

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